DE2426672A1

DE2426672A1 - Verfahren zum behandeln von abwasser

Info

Publication number: DE2426672A1
Application number: DE19742426672
Authority: DE
Inventors: Werner Bruch; Theodor Gorski; Hans Dipl Ing Dr Guth; Kurt Dr Mack; Marko Dr Zlokarnik
Original assignee: Bayer AG
Current assignee: Bayer AG
Priority date: 1974-06-01
Filing date: 1974-06-01
Publication date: 1975-12-18
Also published as: DK243675A; JPS512260A; AT341961B; GB1506649A; FR2275406B1; JPS603848B2; DE2426672C3; IE41293L; BE829657A; IE41293B1; DE2426672B2; NL7506469A; ATA411675A; FR2275406A1; IT1035902B; CH597099A5; LU72621A1

Description

Verfahren zum Behandeln von Abwasser

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Behandeln von Abwässern, die biologisch abbaubares Material enthalten, durch Belüftung mit sauerstoffhaltigen Gasen in Gegenwart von biologisch aktiven Massen.

Es sind bereits Verfahren bekannt geworden, nach denen biologisch abbaubares Material, das in Industrie- und Kommunalabwässern enthalten ist, mit Hilfe biologisch aktiver Massen (Belebtschlamm) durch Belüftung mit sauerstoffhaltigen Gasen abgebaut wird. Bei diesen Verfahren wird entweder Luft, mit Sauerstoff angereicherte Luft oder technisch reiner Sauerstoff als Belüftungsgas verwendet.

Es ist ferner bekannt, daß bei den biologischen Abwasserreinigungen - wie bei jeder bakteriellen Tätigkeit - die Abbauvorgänge um so besser vonstatten gehen, je intensiver die biologisch aktive Masse mit Sauerstoff versorgt wird. Es ist daher erforderlich, dem Belebtschlamm den zur Atmung not-

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wendigen Sauerstoff künstlich zuzuführen. Im Allgemeinen wird der Sauerstoff aus der Umgebungsluft entnommen und in offenen Becken dem Gemisch aus Belebtschlamm und dem zu * reinigenden Abwasser zugeführt. Da nur etwa 2 % des Luft-Sauerstoffs beim Durchgang durch das Belebtschlammbecken ausgenutzt werden, müssen große Luftmengen mit dem Gemisch aus Belebtschlamm und dem zu reinigenden Abwasser in Kontakt gebracht werden. Dies erfordert große Beckenvolumen und/oder eine Vielzahl aufwendiger Sauerstoffeintragungsvorrichtungen mit einem entsprechend hohen Energieaufwand. Hinzu kommen die Geruchsbelästigungen, die durch den Strippeffekt der großen Luftmengen oder durch die Tröpfchenbildung bei Oberflächenbelüftern verursacht werden.

In den deutschen Auslegeschriften 2 0J2 I89, 2 032 440, 2 032 480, 2 032 528 und 2 0^2 535 sind Verfahren beschrieben, die diese Nachteile durch Einsatz von säuerstoffangereicherter Luft bzw. technisch reinem Sauerstoff zu vermeiden suchen. Es werden geschlossene Belüftungsbecken verwendet, wobei das Gas mittels eines rotierenden Gasverteilungssystems direkt in das Gemisch aus Belebtschlamm und Abwasser eingetragen wird. Zur besseren Ausnützung des Sauerstoffes wird das Belüftungsgas rezirkuliert. Eine Kaskadenschaltung der Belüftungssysteme hat sich dabei als zweckmäßig erwiesen.

Wie man sich heute vorstellt, werden die Mikroorganismen durch elektrische Auf- und Umladungen an den äußeren Membranen zu Flocken zusammengeschlossen (Flockenkoagulation). Da aber nur die Mikroorganismen, die an der Peripherie der Kolonien sitzen, den biologischen Abbau bestimmen, be- ) schleunigen kleine Flocken, im Extremfall isolierte Einzelorganismen, die Sauerstoffzehrung im Abwasser. Die bekannten Sauerstoffeintragungsaggregate sind jedoch so konstruiert, daß ein Kompromiß zwischen Sauerstoffzehrung und Absetzei-

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genschaften des Belebtschlammes erzielt wird, denn im Sinne der Belebtschlammtechnik ist es ungünstig, den Abbau der organischen Stoffe von freischwimmenden Mikroorganismen übernehmen zu lassen, da die Absetzbarkeit' der assimilierten Stoffe damit nicht mehr gewährleistet ist (Jahrbuch für Wasserchemie und Wasserreinigungstechnik, 27. Band, Seite 149 bis 150, I960; Habilitationsschrift von 1. Hartmann: Die Beziehungen zwischen Beschaffenheit und Lebensgemeinschaft der Belebtschlammflocke am Beispiel einer mehrstufigen Versuchsanlage).

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, das die beiden für einen einwandfreien Verfahrensablauf notwendigen Voraussetzungen, nämlich gute Sauerstoffzehrung und gutes Absetzverhalten des Belebtschlammes, erfüllt.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Behandlung von Abwasser, das biologisch abbaubares Material enthält, mit Hilfe von Belebtschlamm und sauerstoffhaltigen Gasen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man Belebtschlamm im Abwasser suspendiert und in kleine Flocken zerteilt, dieser feinteiligen Suspension gleichzeitig sauerstoffhaltiges Gas in feiner Verteilung zuführt und anschließend an die Sauerstoffzehrung die feinteilige Suspension in einer Potentialströmung zu "absetzbaren Flocken rekoaguliert.

Das erfindurigsgemäße Verfahren schafft optimale Voraussetzungen für die Sauerstoffzehrung in einem ersten Verfahrensschritt, dem sich ein zweiter Verfahrensschritt, der eine Flockenkoagulation begünstigt, anschließt. Die Zerteilung der Belebtschlammflocken erfolgt vorzugsweise durch Einwirkung von Scherkräften, wobei die Zerteilung im Extremfall bis zu Einzelbakterien durchgeführt wird. Vorzugsweise wird die Belebtschlammflocke in diesem Zerteilungsprozeß auf 1/3 bis 1/20 ihrer üblichen Größe besonders bevorzugt·

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auf ein 1/5 bis 1/10 zerteilt. Der in das Belebtschlammbecken eingeführte technische reine Sauerstoff wird im Gasraum sofort mit dem Umwälzgas, daß das Stoffwechselprodukt der Mikroorganismen Kohlendioxyd enthält, vermischt und somit als verdünntes sauerstoffhaltiges Gas wieden den Mikroorganismen zugeführt. Das sauerstoffhaltige Gas wird in Form sehr kleiner Gasbläschen, die vorzugsweise einen Durchmesser kleiner als 4 mm, besonders bevorzugt einen Durchmesser kleiner als 1 mm besitzen, in die feinteilige Belebtschlammsuspension eingeführt. Unter O₂-haltigem Gas im Sinne, der vorliegenden Erfindung wird ein mit Op-angereichertes Gas von mindestens 50 Vol.-Ji O₂, vorzugsweise von 50 bis 80 Vol.-% verstanden. Bei diesem sauerstoffhaltigen Gas handelt es sich um ein rezirkuliertes Gasgemisch, dem das beim Abbau entstehende Kohlendioxyd teilweise entzogen werden kann, um so eine Erhöhung der Og-Konzentration im rezirkulierten Gasgemisch und damit eine höhere Säuerstoffeintragskapazitat zu erreichen. Durch die feine Verteilung sowohl des Belebtschlammes, wie des sauerstoffhaltigen Gases, werden große Phasengrenzflächen im System Gas-Flüssigkeit-Feststoff geschaffen, welche eine schnelle Sauerstoffaufnahme im Wasser gewährleisten und gleichzeitig außer den Bakterien, die an der Peripherie der kleinen Flocken sitzen auch die Bakterien im Inneren der Flocke in die Lage versetzen, den biologischen Abbau zu beschleunigen.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform dieser ersten Verfahrensstufe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Zerteilung und Versorgung der Abwasser-haltigen Belebtschlammflocken mit Sauerstoff mittels Ejektordüsen erfolgen. Hierfür geeignete Ejektoren werden beispielsweise beschrieben in A. G. Kassatkin, Chem. Verfahrenstechnik, Bd. 1, VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1962, Seiten 138, 177* I80. In besonderer Weise ist eine Ejektordüse ge-

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eignet, die Gegenstand eines bisher unveröffentlichten Vorschlags ist. Eine derartige Ejektordüse ist in der Figur 1 dargestellt und dadurch gekennzeichnet, daß ein Gehäuse (1) mit einer Zuführleitung (2) für Flüssigkeiten und einer Zuführleitung (5) für Gase fest verbunden ist, wobei in das Gehäuse (1) an dem Eintritt der Zuführleitung (2) für Flüssigkeiten eine Dichtung (4) eingesetzt ist, und wobei eine einschiebbare Treibdüse (5) gegen die Dichtung (4) geführt ist xond wobei ein Hülsenrohr (6), welches mit einer in das Gehäuse .(1) einschraubbar ausgestalteten Mischdüse (7) fest verbunden ist, das mit Bohrungen (8) versehen ist, auf den Rand der Treibdüse (5) aufgesetzt ist, und wobei eine Kontermutter (9) am Ende des Gehäuses (1) angeordnet ist. Die Ejektordüse besteht vorzugsweise aus Kunststoff, wie z. B. HartPolyäthylen und/oder Polypropylen.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird durch die Zuführleitung (2) das Abwasser zusammen mit Belebtschlamm mit einer Geschwindigkeit von 5 bis 24 m/sec, vorzugsweise 12 bis 18 m/sec gedrückt. In der Mischdüse (7) wird die Strömungsenergie des Treibwassers in Druck umgesetzt. Dabei wird das durch die öffnung (3) eintretende sauerstoffhaltige Gas in feine Gasbläschen zerrissen und die zugeführten Belebtschlammflocken in sehr kleine Flocken zerteilt. Das Gemisch tritt als feinteilige Suspension aus der Ejektordüse aus, wobei die feinen Gasbläschen beim Aufsteigen im Belebtschlammbecken weiter Sauerstoff an das Abwasser abgeben können. Derartige Ejektordüsen werden vorteilhafterweise am Boden des Belebtschlammbeckens angebracht. Dem Abwasser wird vor dem Eintritt in die Ejektordüse grobflockiger Belebtschlamm in Mengen von 20 bis 60 Volumen %, bezogen auf Abwasser, zugesetzt. In einer vorteilhaften Ausführungsform wird teilgereinigtes Abwasser, das bereits feinteiligen Belebtschlamm ("feinteilige Suspension") enthält, in Mengen von 10 bis 300 Volumen %, bezogen auf Abwasser, aus dem Belebtschlammbecken rückgeführt und zusammen mit dem grobflockigen Belebtschlamm enthaltenden Abwasser durch die Ejektordüse geleitet.

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In einer weiteren Ausführungsform ist auch eine Kombination mit anderen Sauerstoff-Begasungseinrichtungen, wie z. B. Rührbegasung, Frittenbelüftung im Anschluß an die Ejektorbegasung möglich. Diese Variante bietet sich besonders dann an, wenn die Begasung kaskadenartig erfolgt. Gegebenenfalls kann dabei zwischen den Kaskaden eine Zwischenklärung durchgeführt werden.

Im Anschluß an eine ausreichend lange Zeit für die Sauerstoffzehrung, die vom zu behandelnden Abwasser abhängt und zwischen etwa 1 bis 8 Stunden liegt, wird die aufgeschlossene, feinteilige BelebtSchlammasse erfindungsgemäß wieder zu absetzbaren Flocken koaguliert. Dies wird dadurch erreicht, daß man die aufgeschlossene, feinteilige Belebtschlammasse, die teilweise oder vollständig abgebautes Abwasser enthält, in einer Potentialströmung rekoaguliert. Unter einer Potentialströmung versteht man eine Strömung, um eine Rotationsachse, die nach dem Gesetz r χ c = const, (r = Abstand eines Flüssigkeits- bzw. Peststoffteilchens von der Rotationsachse, c = Geschwindigkeit des Teilchens) abläuft. (Bruno Eck, Techn. Strömungslehre 6. Auflage I96I, Seite

In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt diese Verfahrensstufe in der in Figur 2 dargestellten Vorrichtung. Dabei bedeuten 11 ein zylindrisches Rohr, 12 eine tangentiale Zuführungsleitung, 13 und 14 Abführleitungen. Im einzelnen erfolgt die Rekoagulation wie folgt:

Die aus dem Belebtschlammbecken abgeführte feinteilige Suspension wird über die tangentiale Zuführung (12) mit linearen Geschwindigkeiten von etwa 0,5 bis 3 m/sec in einen zylindrischen Reaktor (Koagulator) (11) eingeführt und dort in eine Rotationsbewegung unter Auslösung einer Potentialströ-

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mung versetzt. Die einzelnen Flüssigkeitsschichten bewegen sich demnach umso schneller, je mehr sie an der Achse des Zylinders liegen. Die Verweilzeiten eines Flüssigkeitsbzw. Feststoffteilchens betragen durchschnittlich etwa JO bis 150 see, vorzugsweise 40 bis 100 see. In der Nähe der Achse bildet sich ein sogenannter Wirbelkern aus. Es hat sich gezeigt, daß die in der Potentialströmung vorhandene Relativbewegung zwischen den einzelnen Strömungsschichten besonders dazu geeignet ist, den Zusammenschluß der feinteiligen Flokken zu fördern. Auf diese Weise gelingt es, wieder absetzfähige Flocken zu bilden, die dann in einem nachgeschalteten Absetzbecken von dem zu klärenden Abwasser getrennt werden können. Durch die Möglichkeit, das ausströmende Wasser teils im Kern (Abführleitung 13), teils im Randbereich (Abführleitung 14) abzuziehen, hat man es in der Hand, eine optimale Flockungskoagulation einzustellen.

Eine spezielle Ausführungsform des gesamten erfindungsgemäßen Verfahrens ist in der Figur J dargestellt, wobei den Ziffern folgende Bedeutung zukommt:

101 = Pumpe,

102 = Rückführleitung für teilgereinigtes Abwasser + fein-

teiligen Belebtschlamm,
103, 104, 105 = Ejektoren,

106 = Kompressor,

107 = Absetzbecken,

108 - Pumpe,

109 = Sauerstoffzufuhr,

110 = Rezirkulationsgaszufuhr,

111 = Zufuhrleitung für sauerstoff-freies Abwasser,

112 = Zuführleitung für sauerstoff-armen Belebtschlamm,

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= Koagulator,
114 = tangentiale Zufuhrleitung zu Koagulator, 115, US = Abführleitungen
117* He = Abführleitung für Klarwasser■bzw. Überschußschlemm

119 = Abgasleitung

120 = Belebtschlammbecken

Im einzelnen wird das Verfahren so durchgeführt, daß das Abwasser -eingeführt über 111- das biologisch abbaubares Material enthält, mit Hilfe von Belebtschlamm und sauerstoffhaltigem Gas intensiv mit Sauerstoff in Kontakt gebracht wird. D-.zu wird das Abwasser der Saugseite der Umwälzpumpe (101), die teilgereinigtes Abwasser mit Belebtschlamm (102) umwälzt, zugegeben. Das Gemisch wird von der Pumpe (101) den Ejektor-

düsen (I03, 104, 105,) die an den Gasrezirkulationskompressor (1O6) angeschlossen sind, zugeführt. Durch die in den Düsen herrschenden Strömungsbedingungen wird der aus dem Absetzbecken (107) über die Pumpe (lOo) rückgeführte Belebtschlamm, der in Plockenstruktur vorliegt, in eine feinverteilte Suspension gebracht. Über die Zuführung (109) wird technisch reiner Sauerstoff in den Gasraum des Belebtschlammbeekens (120) eingeführt entsprechend dem Verbrauch durch die Mikroorganismen. Gleichzeitig wird in den Düsen eingebrachtes Rezirkulationsgas (110) in der Flüssigkeit extrem fein verteilt, so daß in Folge der dadurch geschaffenen Phasengrenzfläche und des großen Potentialunterschiedes zwischen der Sauerstoffkonzentration im Rezirkulationsgas und dem Gemisch an Belebtschlamm und Abwasser ein schneller Übergang einerseits von gasförmigem Sauerstoff in die Flüssigkeit und andererseits von in der Flüssigkeit gelösten Sauerstoff in den in feinverteilter Suspension vorliegenden Belebtschlamm gewährleistet ist. Die Potentialdifferenz wird erhöht, in dem der umgewälzten Suspension (102), bestehend aus teilgereinigtem Abwasser und feinteiligem Belebtschlamm nahezu Sauerstoff-freies Abwasser (111) und Säuerstoff-armer Belebtschlamm (112) zugegeben wird. Durch

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diese beiden Effekte kann bei minimalem Energieaufwand eine hohe Ausnützung des zugeführten Sauerstoffs erreicht werden. Entsprechend der zugegebenen Menge Abwasser (111) und Belebtschlamm (112) fließt ein Gemisch von Belebtschlamm und gereinigtem Abwasser dem Koagulator (llj5) über die Leitung (114·) zu und tritt in koagulierter Form über Leitungen (115 und 116) in das Absetzbecken (107) ein, in dem das Abwasser von dem Belebtschlamm getrennt wird. Das Klarwasser fließt über das Wehr (117) ab und kann je nach Reinheitsgrad einer weiteren Behandlung zugeführt oder abgelassen werden. Der abgetrennte Belebtschlamm wird mittels der Pumpe (108) teils in die Saugseite der Umwälzpumpe (101) eingespeist, teils als Überschußschlamm (118) abgezogen. 119 ist eine Abgasleitung.

Es ist selbstverständlich möglich, teilgereinigtes Abwasser weiteren Kaskaden zuzuführen, in denen sich der gleiche Belüftungsvorgang wiederholt. Die Kaskadenfahrweise kann sowohl in getrennten Behältern als auch durch entsprechende Anordnung der Ejektoren in einem Becken ohne Trennwände: durchgeführt werden. Da die die Ejektoren verlassenden Gasblasen infolge ihrer Mammutpumpenwirkung die Flüssigkeit im wesentlichen nur in vertikaler Richtung durchmischen und eine axiale Rückvermischung des Flüssigkeitsdurchsatzes gering ist, wird eine "Kaskadenschaltung" für den Flüssigkeitsdurchsatz bereits ohne Trennwände in der Flüssigkeit bewirkt. Will man zur besseren Gasausnutzung eine Kaskadenschaltung auch für das Gas haben, um es gegebenenfalls auch im Gegenstrom leiten zu können, so genügt es, wenn man den Gasraum über der Flüssigkeit durch in die Flüssigkeit eintauchende Vorlänge in Stufen unterteilt. Unter Verwendung von Ejektoren kann problemlos der Sauerstoff am Beckenboden des Belebtschlammbeckens selbst in einer Tiefe von 5 bis 10 m eingetragen werden, was für eine wirtschaftliche Fahrweise besonders wichtig ist.

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Ferner ist es ohne weiteres möglich, die Ejektoren so anzuordnen, daß ein völliges Entleeren des Beckens bei gleichzeitiger Belüftung möglich ist. Die Belüftung durch die nicht

bewegten, starr eingebauten Belüftungsorgane macht rotierende Verteilungssysteme für den Sauerstoff überflüssig, was wiederum eine einfachere Gestaltung der Abdeckungen für die Belebtschlammbecken ermöglicht. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich erhöhte Sauerstoffeintragsleistungen und damit erhöhte Sauerstoffertragswerte gegenüber dem bekannten Verfahren realisieren,ohne daß der hohe Energieaufwand der bekannten Verfahren nötig ist. In einer erfindungsgemäß ausgelegten Anlage konnten folgende Ergebnisse erreicht werden:

Abwassermenge	4,5 mr/h
Abwassertemperatur	20⁰C
Abwasserlast	2100 mg/1 BSB₅, 3500 mg/l CSB
Raumbelastung	6,5 kg BSB₅/m 2 · d
Schlammbelastung	0,95 kg BSB₅AgTS . d
Sauerstoffeintragslei stung	343 kg 0₂/d
Sauerstoffnutzung	1,2 kg 0₂/kg BSB₅ abgebaut
	0,9 kg 0₂/kg CSB abgebaut
Sauerstoffertragswert	12 kg 0₂/KWh
Schlammkonzentration	7,5 g/l
Belüftungszeit	7,6 h
gelöster Sauerstoff	6 mg/1
Beckenvolumen	16 v?
Beckentiefe	6,2 m
Anzahl der Ejektoren	0,8 m²
Eintauchtiefe der Ejektoren	5,7 m
Rezirkulationsgas	7,7 nrVh und Ejektor
Umwälzmenge (Schlamm/Wasser)	2,1 nr/h und Ejektor
S chlammvolumenindex	35 ml/g
RücklaufSchlammkonzentration	25 g/l
Rücklaufs chlammmenge	35 % der Abwassermenge
Abbaurate	90 % BSBr-, 70 $ CSB

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Claims

Patentansprüche;

I)/ Verfahren zur Behandlung von Abwasser, das biologisch abbaubares Material enthält, mit Hilfe von Belebtschlamm und sauerstoffhaltigen Gasen, dadurch gekennzeichnet, daß man Belebtschlamm im Abwasser suspendiert und in kleine Flokken zerteilt, dieser feinteiligen Suspension gleichzeitig Sauerstoffhaltiges Gas in feiner Verteilung zuführt und anschließend an die Sauerstoffzehrung die feinteilige Suspension in einer Potentialströmung zu absetzbaren Flocken rekoaguliert.
2) Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit Sauerstoff angereichertes Gas von mindestens J>0 VoI₀·-$, vorzugsweise von 50 bis 80Vol.-$ zugeführt wird.
3) Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß sauerstoffhaltiges Gas in Form von Gasbläschen mit einem Durchmesser kleiner 4 mm der feinteiligen Suspension zugeführt wird.
4) Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis J5* dadurch gekennzeichnet, daß man das sauerstoffhaltige Gas in mindestens zwei räumlich getrennten Stufen zuführt.
5) Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Belebtschlammflocken auf 1/5 bis 1/20, vorzugsweise auf 1/5 bis 1/10 ihres ursprünglichen Volumens zerteilt werden.
6) Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Abwasser Belebtschlamm in Mengen von 20 bis 60 Volumen $, bezogen auf Abwasser,zugesetzt wird.

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7) Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Abwasser feinteilige Suspension in Mengen von 10 bis 300 Volumen %, bezogen auf Abwasser, zugesetzt wird.
8) Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, daß in der Potentialstromung Verweilzeiten von 30 bis 150 see, vorzugsweise von 40 bis 100 see. eingestellt werden.
9) Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis J, dadurch gekennzeichnet, daß die Potentialströmung durch tangentiale Zuführung in einen zylindrischen Reaktor ausgelöst wird.
10) Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die tangentiale Zuführung mit linearen Geschwindigkeiten von etwa 0,5 bis 3 m/sec erfolgt.

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